L'LHC: come e perche' - Umberto Dosselli Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
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L’LHC: come e perche’
Umberto Dosselli
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare www.infn.it
Umberto Dosselli
Fisica delle Particelle Elementari
Punta a rispondere alle due domande:
- Quali sono i costituenti fondamentali della materia?
- Quali sono le forze che controllano il loro
comportamento?
Umberto Dosselli
Fisica delle Particelle Elementari
Sperimentalmente
Si fanno interagire particelle e si studiano i prodotti risultanti e le loro
caratteristiche.
Si misurano le energie, le direzioni e le identita’ di questi prodotti il piu’
precisamente possibile.
Si confrontano le misure con i modelli teorici, cercando di spiegare
quanto osservato e di prevedere cosa si celi “dietro l’angolo”
Umberto Dosselli
Questo richiede…….
1. Acceleratori : potenti macchine che
accelerano le particelle ad energie
estremamente elevate e le portano in
collisione con altre particelle
2. Rivelatori : strumenti giganteschi per
registrare le particelle prodotte mentre
escono dal punto di collisione
3. Computers : per raccogliere,
immagazzinare, distribuire ed
analizzare la grande quantita’ di dati
prodotti dai rivelatori
4. Gente : solo una collaborazione
mondiale di migliaia di scienziati, ingegneri
tecnici e staff di supporto puo’ progettare,
costruire e mettere in funzione queste
complicate “macchine”
Umberto Dosselli
Acceleratori di Particelle
Umberto Dosselli
Acceleratori di Particelle
Accelerano particelle ad alte energie.
Le energie sempre piu’ alte permettono
i) Guardare in profondita’ nella materia (E 1/dimensione),
(“potenti microscopi”)
de Broglie
ii) Scoprire nuove particelle piu’ pesanti(E = mc2)
iii) Verificare le condizioni dell’Universo primordiale (E= kT) Einstein
Rivisitare i primi momenti del nostro universo ancestrale
Boltzmann
(“potenti telescopi”),
per osservare fenomeni e particelle normalmente non piu’
visibili o esistenti oggigiorno.
Il tutto in condizioni controllate in laboratorio.
Umberto Dosselli
Il CERN Umberto Dosselli
Umberto Dosselli
CERN e il Progetto LHC
L’ acceleratore LHC
E gli Esperimenti
Umberto Dosselli
Scaletta temporale del Progetto LHC
1984 Workshop on installing a Large Hadron Collider (LHC) in the LEP tunnel
1987 CERN’s long-range planning committee chaired by Carlo Rubbia recommends
Large Hadron Collider as the right choice for CERN’s future
1989 Large Electron Positron collider starts operation
1992 First concepts for LHC Experiments, Evian les Bains
1994 LHC Approved, ATLAS and CMS approved (Technical Proposals)
1998 Construction begins
2000 CMS assembly begins above ground; LEP Collider closes
2003 ATLAS underground cavern delivered and assembly underground begins
2004 CMS experiment cavern delivered
2008 LHC & Experiments ready for Beam. First proton-proton Collisions
2011 Reach design luminosity ( 1 billion pairs of protons interacting per second) @ 7 TeV
2013 Reach design energy: 14 TeV
> 2015 Upgrade LHC Phase 1: increase pp interaction rate by factor of 2-4
> 2017 Upgrade LHC Phase 2: increase pp interaction
Umberto Dosselli rate to about 10 billion/secondAcceleratori di particelle
• Anche un (vecchio …) televisore a CRT è un acceleratore
fascio di
catodo
anodi elettroni
acceleratori
1.5 Volt
anodo
focalizzante
magnete di
deflessione schermo
fosforescente
~ 20 000 Volt
• I protoni in LHC collidono ad un’energia di 14 TeV = 14 000 000 000 000 eV
Umberto DosselliAccelerazione in LHC
I protoni sono accelerati da sistemi di cavità a radiofrequenza
Diversi acceleratori del CERN
conducono i protoni fino ad LHC
Umberto DosselliI magneti superconduttori
• Per far restare protoni da 7 TeV
nell’orbita circolare di LHC sono
necessari campi magnetici da circa
8 Tesla (circa 100000 volte il
campo magnetico terrestre)
• 1600 magneti superconduttori
sono raffreddati con He liquido
superfluido ad 1.9°K (271.25°C)
• LHC contiene il sistema criogenico
più grande al mondo, ed è il luogo
massivo (conosciuto…) più freddo
dell’Universo!
• ~7000 km di cavo
superconduttore: l’intera
produzione mondiale di due anni!
wrt Tevatron (USA)
Energy (14 TeV) x7
Umberto Dosselli Luminosity (1034cm-2s-1) x 30Dettaglio dei magneti
Umberto DosselliTest e istallazione dei magneti
Umberto DosselliIstallazione di LHC
Umberto DosselliCERN Site
Large Hadron Collider
27
27 km
km circumference
circumference
Lago
Lago di
di Ginevra
Ginevra
CMS
LHCb
ALICE ATLAS
Umberto DosselliGli esperimenti all’LHC
La Sociologia
L’ambiente
La Costruzione e l’assemblaggio
L’LHC & gli esperimenti all’ LHC (specialmente ATLAS, CMS)
sono senza dubbio i piu’ complessi esperimenti scientifici
mai costruiti.
Umberto DosselliCollaborazioni internazionali
ATLAS e CMS sono collaborazioni di oltre 2500 fisici
Circa il 15-20% dei collaboratori è italiano, coordinato dall’ INFN
Umberto DosselliWorldwide Scientific Collaboration !
ATLAS
37 Countries
169 Institutions
2500 Scientific Authors
Umberto DosselliLe collisioni!
L’energia dei protoni che si scontrano
si trasforma in nuove particelle (= massa)
E = mc2
Umberto DosselliL’ambiente: Collisioni all’ LHC
7x1012 eV Beam Energy
1034 cm-2 s-1 Luminosity
2835 Bunches/Beam
1011 Protons/Bunch
7.5 m (25 ns)
7 TeV Proton Proton
Bunch Crossing 4 107 Hz
colliding beams
Proton Collisions 109 Hz
e
e-
Parton Collisions µ+
q
1-
µ- ~
q q
Z ~
p H p p
g
p
New Particle Production 10-5 Hz
~
q
(Higgs, SUSY, ....) µ+
Z
q ~
20
µ- ~ 0
1
Selection of 1 event in 10,000,000,000,000
Umberto Dosselli
European Laboratory for Particle Physics 1La sfida sperimentale
Altissimi tassi di interazione
1 miliardo di interazioni protone-protone per secondo
Grandi Flussi di particelle
~ 1000 tracce si affollano nel rivelatore ogni 25 ns (25 miliardesimi di
secondo !)
grande numero di canali elettronici (~ 100 M ch)
Alti livelli di radiazione
rivelatori ed elettronica “radiation hard “(tolerant)
Umberto DosselliI rivelatori di particelle
Umberto DosselliFisheye View of the CMS Experiment
Umberto DosselliATLAS Experiment
45 m
24 m
7000 T
Umberto DosselliCostruzione ed Assemblaggio
Qualche esempio
Una sfida ingegneristica
Una nuova tecnologia
Istallazione di un esperimento
Umberto DosselliThe Toroidal System of Magnets of ATLAS
Umberto DosselliCalorimeters Inserted in Toroidal System
Endcap calorimeter partially inserted
Calorimeters filled with Liquid Argon
Umberto DosselliNuove tecnologie per rivelatori
Un esempio:
Calorimetro elettromagnetico fatto di cristalli
di Tungstato di Piombo
Driving Design Goal:
Misurare precisamente le energie di fotoni da decadimenti del bosone di Higgs.
Umberto DosselliIl rivelatore di tracce di CMS
Umberto DosselliAssemblaggio e Installazione
di un esperimento all’ LHC
Un esempio: CMS
Umberto DosselliExploded View of CMS
Plus Side Minus Side
Umberto DosselliSito di superficie nel 2000
Oct ‘00
Una faglia acquifera, ad alta velocita’, corre a -40 m !
Umberto DosselliAssemblaggio della struttura di ferro
Umberto DosselliCaverna sperimentale sotterranea
2004
Umberto DosselliHall di superficie in Feb 2006
COIL
Umberto DosselliOperazioni spettacolari
Feb 2007
Umberto DosselliCavi, tubi & Fibre Ottiche !
Nov 2007
Impiegate 50’000 ore uomo
Umberto DosselliInserzione dell’elemento piu’ interno (Dic’07)
Tracking System
200 m2 of Silicon
strip detectors
Umberto Dosselli…. il Professor Higgs….
Umberto DosselliQuasi “Ready to Go!”
Umberto DosselliREADY !!
Settembre 2008
Umberto DosselliUmberto Dosselli FA ‐ LHC spicca il volo ‐ Padova, 19 gennaio 2010
Selezione di “Eventi” interessanti
Acquisire i Dati - Da elettroni a Bytes
Grid Computing
Umberto DosselliSelezione di “Eventi” interessanti
Umberto DosselliAcquisizione e Recording Dati interessanti
Detectors
40 MHz 16 Million channels Analogia
COLLISION RATE 3 Gigacell buffers
Charge Time Pattern Con una 100 Mpix 3-D digital camera
100 kHz
LEVEL-1 TRIGGER 40M foto/s
Energy Tracks
1Ciascuna foto (~
Megabyte EVENT 1 MB)
DATA
1 Terabit/s 200- Gigabyte
presa inBUFFERS
~ 500 pezzi diversi
(50000 DATA CHANNELS) 500 Readout memories
- messi insieme usando uno ‘switch’
delle telecomunicazioni
- analizzate
EVENT BUILDER. A large in una
CPU
switching
network (512+512 ports) with a total throughput of
500 Gigabit/s (in una farm di ~ 50000 PC)
approximately 500 Gbit/s forms the interconnection
Networks between the sources (Readout Dual Port Memory)
and the destinations (switch to Farm Interface). The
Solo poche centinaia di foto al secondo
Event Manager collects the status and request of
event filters and distributes event building commands
(read/clear) to RDPMs
immagazzinate nel mass storage.
5 TeraIPS
~ 15 FILTER.
EVENT milioni GB/anno
It consists of a set of high (15 PB/anno)
performance commercial processors organized into many
farms convenient for on-line and off-line applications.
The farm architecture is such that a single CPU
processes one event
Gigabit/s SERVICE LAN Computing services Petabyte ARCHIVE
Umberto DosselliWorldwide
LHC Computing Grid
The LHC Computing Grid
Gli esperimenti produrranno circa 15 Million Gigabytes di dati per anno
(circa 5 milioni di DVD!)
L’analisi dati per l’LHC richiede una potenza di calcolo equivalente a
~100,000 dei piu’ veloci PC oggi esistenti
Umberto DosselliPreparazione per la partenza dell’ LHC
Gli Esperimenti sono in presa dati in situ usando i muoni dei
raggi cosmici !
Tutto indica che gli esperimenti si comportano come atteso.
Umberto DosselliCosmic Rays
Decine di milioni di “eventi” da muoni da
raggi cosmici visti dagli esperimenti
Umberto DosselliEcm = PeV (Euhecr /ZeV)1/2 (2A)1/2
Due conti:
Superficie “bersaglio” Terra: 1.3 1014 m2
32 orders of magnitude
Flusso di raggi cosmici al suolo ~ 100 s-1 m-2
Numero di secondi all’anno: 3 107 s y-1 E-2.7
Eta’ della Terra in anni ~ 109 y
Fattore di riduzione da 1 Gev a LHC: ~ 10-21
Da quando e’ nata sulla Terra sono piovuti >>
1000 miliardi di raggi cosmici con energie
pari o superiori a quelle dell’LHC
E-3.1
Ankle
(1 particle /km2 yr)
Tevatron
RHIC
LHC
Umberto Dosselli 12 orders of magnitudeCMS: Data Taking using Cosmics
In addition to detectors
Prerequisites:
infrastructure, trigger,
time synchronization,
Acquiring data,
reconstruction/tracking,
etc. ...
Umberto Dosselli10 settembre 2008: si parte !!!!
Umberto Dosselli10 settembre 2008: si parte !!!! (evento visto
da ~ 1 Miliardo di persone !!!)
Umberto DosselliFive DGs Umberto Dosselli
….. grande interesse
Umberto DosselliOrbita chiusa
Umberto DosselliUmberto Dosselli
Umberto Dosselli
Umberto Dosselli
Atlas Umberto Dosselli
TRT in the run 22-25 August: another event
Barrel-tracks
Shower
Umberto DosselliUmberto Dosselli
Successo! Apriamo le news…
9 – 9 - 2008 10 – 9 - 2008
9 – 9 - 2008
Umberto Dosselli…. negli uffici di Presidenza dell’INFN…
Umberto DosselliL’incidente !
Durante le primissime collisioni, il 19/09/2008, una giunzione
superconduttiva tra due magneti ha causato una scarica che ha
danneggiato il sistema criogenico
Una fuoriuscita di elio liquido ha causato un’onda d’urto che ha
danneggiato diversi magneti
Fonte: BBC news
Umberto Dosselli… un anno ulteriore di lavoro (tutto il 2009…)
• riparare i
danni
• migliorare il
sistema di
allarme
Umberto DosselliUmberto Dosselli FA ‐ LHC spicca il volo ‐ Padova, 19 gennaio 2010
e l’inizio dell’analisi dati…….
Umberto Dosselli
FA ‐ LHC spicca il volo ‐ Padova, 19 gennaio 2010E ora? La Scienza
Dobbiamo affrontare alcune delle piu’ profonde questioni in Fisica:
• Cosa e’ la massa?
• Di che cosa e’ fatto il 96% dell’Universo?
• Perche’ non c’e’ una maggior quantita’ di antimateria?
• Esiste una Grande Unificazione in Fisica?
Il viaggio e’ appena cominciato: e dopo?
Umberto DosselliInternational Linear Collider/ CLIC
Umberto DosselliInternational Linear Collider/ CLIC
Umberto Dosselli… e forse… Umberto Dosselli
… ma tutto cio’ a cosa serve?
• conoscenza : conoscendo (Scienza) si puo’ applicare (Tecnologia)
• qualche esempio: studi antimateria --> PET
acceleratori di particelle --> adroterapia, etc
rivelatori di particelle --> tecniche diagnostiche
distribuzione dati --> WWW
ricerca di base --> energia
Umberto DosselliPET: Positron Emission Tomography
Umberto Dosselli15 febbraio 2010: inaugurazione a Pavia del CNAO (Centro
Nazionale Adroterapia Oncologica)
Umberto Dosselli15 febbraio 2010: inaugurazione a Pavia del CNAO (Centro
Nazionale Adroterapia Oncologica)
Umberto Dosselli15 febbraio 2010: inaugurazione a Pavia del CNAO (Centro Nazionale Adroterapia Oncologica); vista del Sincrotrone, di costruzione I.N.F.N. Umberto Dosselli
Conclusioni
• La nave e’ partita !
• durata prima presa dati ~ 5 anni
• successivamente upgrade e successiva
seconda generazione
• Ci aiutera’ a vedere in modo diverso l’Universo
• Abbiamo idee su come proseguire questa
ricerca
• L’Italia ( e quindi l’INFN) in prima linea
Umberto DosselliQuickTime™ and a
Sorenson Video 3 decompressor
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Umberto DosselliQuickTime™ and a
Sorenson Video 3 decompressor
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Umberto DosselliGrazie !!
Per seguire l’avventura dell’LHC:
http://www.infn.it/lhcitalia/
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